Első pillantásra az élőlények energiatermelő mechanizmusa meglehetősen nyilvánvalónak tűnik. Nézzük először az állatokat! Ezekhez hasonlóan mi, emberek is a levegő oxigénjével elégetjük a táplálékunkat, miközben energia, szén-dioxid és víz szabadul fel. Az alapvető kémiai reakciók:
Glükóz + oxigén --> szén-dioxid + víz,
C6H12O6 + 6O2 --> 6CO2 + 6H2O.
A glükóz (szőlőcukor) reakcióra lép az oxigénnel, így energia felszabadulása mellett szén-dioxid és víz keletkezik. Ez egy úgynevezett oxidációs reakció. Amint az 1. fejezetben tárgyaltuk, az oxigénatomok szívesen szereznek további elektronokat, és ha erre módjuk van, meg is teszik. A cukor „égése” úgy képzelhető el, hogy a cukormolekulák elektronokat adnak át az oxigénmolekuláknak; így a cukor „oxidálódik”, az oxigén pedig „redukálódik”. Ha valamire még emlékszünk az iskolai kémiai tanulmányainkból, akkor ismerősek lehetnek a „redox” kémiai reakciók, amelyeknek ez az iskolapéldája. A redox reakciók semmi másról sem szólnak, csak elektronok átadásáról, akárcsak az élet.
Előfordulnak olyan ritka alkalmak, amikor valamilyen háttérre van szükségünk egy tévéfilm elkészítéséhez, de többre bukkanunk egy egyszerű háttérképnél. Ez most egy ilyen alkalom. Az élet eredete történetének talán óhatatlanul van valamiféle misztikus árnyalata. Nem vagyok biztos abban, hogy ez teljes egészében Frankensteinnek tudható be, vagy annak, hogy van valami eredendően felkavaró a témában, ami feltartóztathatatlanul elvezet az árnyak világába. Még a Genezis (Teremtés könyve) eleje is úgy hangzik, mintha a Bauhaus filozófiája lenne: „A föld puszta volt és üres, sötétség borította a mélységeket, és Isten lelke lebegett a vizek fölött.” Később kicsit Hendrixre emlékeztet, amikor megjelenik a fény, és az Úr mindenkit szaporodásra és sokasodásra szólít fel: „Nézzétek, nektek adok minden növényt az egész földön, ...” (Fordítás: Szent István Társulati Biblia)
Ennek a fejezetnek a címe egy képi metaforából ered, amelyet a film forgatásakor használtunk, és amelyik leglényegesebb kérdésünk mélyére hatol. Mi a különbség az élő és az élettelen anyag között? Mi a különbség a lepke és a láng között? A legfontosabb kémiai reakció, amelyik energiával látja el a pillangót, a glükóz oxidációja. A gyertya lángja számára pontosan ugyanilyen típusú, alább látható kémiai reakció szolgáltatja az energiát:
2C18H38 (s) + 55 O2 (g) -> 36 CO2 + 38 H2O.
Mindkét reakcióban elektronok adódnak át egy hosszú láncú szénmolekulából az oxigénnek, de a lélegzés esetében a kémiai reakcióban felszabaduló energia egy részét a szervezet elvonja, és felhasználja élete fenntartásához. A folyamat, ahogyan ez megtörténik, finoman szólva is bonyolult. Egy élőlényben az elektron nem tud egyszerűen csak átugrani az oxigénbe, és egyszerre felszabadítani az összes energiát. Ha így lenne, az a lánggal égésnek felelne meg. Ehelyett az elektron egy sor atomot végigjár — rendszerint vasatomokat —, amelyek beépülnek a fehérjékbe, és szabályozzák azok elektronéhségét. Nem biológiai sajátosság az, ha a vasatomok átadják néhány elektronjukat az oxigénatomoknak; ez a rozsdásodásként ismert jelenség. A dologban az a zseniális, ahogyan a biológiai struktúrák a komplex molekulaszerkezetbe úgy építenek be vasatomokat, hogy ezáltal szabályozni tudják az elektronok áramlását, és hasznos munkára fogják be a részecskéket. A beágyazott vasatomoknak ez a láncolata, amely a legtöbb szervezetben körülbelül 15 lépésből áll, az úgynevezett elektrontranszportlánc (légzési lánc), amelyet a szervezetek nemcsak az állatok lélegzésénél használnak, hanem a fotoszintézisben is. Valamilyen formában minden élőlényben előfordul, következésképpen a folyamat nagyon ősi. Minden élő szervezet a redox kémiai folyamatokat használja, hogy valahonnan elektronokat vegyen el, és azokat az elektrontranszportlánc útján máshová továbbítsa.
Van az élet energiakezelő rendszerének még egy összetevője, amelyik ennél is bonyolultabb és ugyancsak univerzális. A légzéssel az elektrontranszportláncon keresztül megtermelt energia egy részét minden élő szervezet elraktározza, amihez az elektronok adenozin-trifoszfát (ATP) molekulákon belüli áramlását használják fel. Ezek a molekulák az élet univerzális akkumulátorai, amelyek a tárolt energiát szükség szerint a szervezet bármely részébe eljuttatják, és ott felszabadítják. Az ATP molekulák felépítése enyhén szólva is furcsa és bonyolult, amit akár egyenesen hátborzongatónak is nevezhetünk. A tévésorozatok készítésében az jelenti számomra a legnagyobb élvezetet, hogy sok érdekességet tudhatok meg a természettudományok szűkebb szakterületemen kívül eső témáiról. Ma is jól emlékszem, mit éreztem, amikor először olvastam arról, hogyan állítják elő a sejtek az ATP molekulákat. Hasonló érzés volt, mint amikor megtudtam, hogy a testemben található szénatomok réges-rég elpusztult csillagok magjában termelődtek. A történet olyan csodálatos, mintha igaz sem lenne. Pedig így van, és ahogyan az a tény, hogy mi mindannyian a csillagok porából állunk, összekapcsol minket az univerzum hatalmas térbeli kiterjedésével, ugyanúgy az ATP molekula készítése a földi élet történetének korokat átfogóan, hatalmas időbeli kiterjedésével köt össze. Visszavezet bennünket a meleg, kis pocsolyához. Íme, a történet.
Miközben az elektronok a transzportláncon keresztül továbbítódnak, protonokat nyomnak át a sejthártyán (sejtmembránon). Minden egyes átjutó elektronpárra tíz átszivattyúzott proton jut. A protonok gyakorisági gradiense óriási. A mindössze 6 milliárdod méter vastagságú sejthártya közelében az elektromos térerősség 30 millió volt méterenként, ami körülbelül olyan nagy, mint amekkorát akkor éreznénk, ha villámcsapás érne.
A protonoknak ez az óriási készlete működteti az ATP-szintáznak nevezett folyamatot, amelyik tulajdonképpen az új ATP molekulákat az akkumulátor két „üres” molekuláris összetevőjéből, az adenozin-difoszfátból (ADP) és szervetlen foszfátból (P.) létrehozó nanogyár. A protonok hatalmas vízesésként zuhognak le a tárolóhelyükről, miközben másodpercenként 100 fordulatos sebességgel forgatják az ATP-szintáz „gép” vízikerekét. Az alábbi vázlat ezt a remekbe szabott „biológiai gépet” ábrázolja, amely -akárcsak a DNS - bolygónk minden élőlényében megtalálható.
Az elektrontranszportlánc bonyolult kémiája és struktúrája - különös tekintettel a protonok zuhatagának felhasználására az ATP-szintázban, vagyis az élet univerzális akkumulátorát jelentő ATP előállítására — minden bizonnyal elárul valamit az élet történetének legmélyebb bugyrairól. Emlékezzünk vissza, hogy a mai élőlények biokémiájában próbáltunk olyan nyomokat keresni, amelyek elvezethetnek a LUCA biokémiájához. Találtunk is egy ilyen nyomot, mégpedig a protonok vízesésének univerzális hasznosítását az ATP molekula előállításának energiaforrásaként.
Mint korábban már hangsúlyoztam, az élet működésének - és minden bizonnyal a kezdetének - megértéséhez a termodinamika adja kezünkbe a kulcsot. Az élőlények a legösszetettebb fizikai struktúrák, amelyeket a Világegyetemben ismerünk, viszont az egyszerű építőelemekből spontán módon felépített komplexitás kényes folyamat. Az életnek mégis sikerült, összhangban a termodinamika megsérthetetlen második főtételével, amihez a protonokat továbbító redox reakciókat használt fel. El kell-e ennek árulnia valamit arról, hogyan indulhatott el ez a folyamat a kezdet kezdetén? Az eddigiek ismeretében meglepődnénk, ha erre a kérdésre „nem” lenne a válasz!
AZ ÉLŐLÉNYEK A LEGÖSSZETETTEBB FIZIKAI STRUKTÚRÁK, AMELYEKET A VILÁGEGYETEMBEN ISMERÜNK, VISZONT AZ EGYSZERŰ ÉPÍTŐELEMEKBŐL SPONTÁN MÓDON FELÉPÍTETT KOMPLEXITÁS KÉNYES FOLYAMAT.
Mindaz, amiről eddig ebben a fejezetben szó volt, biztos alapokon nyugvó tudomány, amit bármely szakkönyvben is elolvashatnak. Most azonban, ismét végiggondolva az eddigieket, szeretnék bemutatni egy újabb elméletet a földi élet kialakulásáról. Ez is tudomány, de annak az egyik legfrissebb területe. Egyes biológusok vitatják az ötletet, mások elfogadják, ahogy az lenni szokott az új elképzelések formálódásának és ellenőrzésének időszakában. Előfordulhat, hogy a későbbiekben az elmélet tévesnek bizonyul, de ha így lesz, felvetői akkor is elégedettek lehetnek, mert sikerült megtudniuk valami újat a természetről. Nem mindig van azonban ez így. Az igazi tudósok nem bánják, ha kiderül, hogy tévedtek, számomra pedig ez az egyik legnagyobb adomány, amelyet a tudomány oktatása nyújthat. Túl sok olyan ember él a világon, aki csak azt akarja, hogy neki legyen igaza, és túl kevés, aki megelégszik azzal, hogy a tudását gyarapítja.
Vizsgáljuk meg újra érvelésünk logikáját! Feltételezzük, hogy az élet a Földön keletkezett, és a rendelkezésünkre álló bizonyítékok arról tanúskodnak, hogy ez valamikor legalább 3,5 milliárd évvel ezelőtt történhetett. Tudjuk, hogy a komplexitás kialakulását komoly termodinamikai gát akadályozza, és azt is tudjuk, hogy ennek legyőzéséhez az életnek egy, az egyensúlyitól minél távolabbi rendszerben kellett működnie; erre használtuk a vízesés hasonlatát. Napjainkban a „vízesést” az oxigéntartalmú légkör és a Nap, illetve az ennek köszönhetően működő fotoszintézis jelenti, ám ezen tényezők egyike sem volt jelen az élet legkorábbi időszakában. Az élőlényekben azonban más vízesések is el vannak rejtve — például a protonvízesés, amelyik az ATP-szintáznak nevezett nanogyárak működéséhez szolgáltatja az energiát —, és ezek a folyamatok univerzálisak-, ma a Földön néhány nagyon ritka kivételtől eltekintve, minden élőlény használ protonokat. Ez arra utal, hogy itt egy nagyon ősi biokémiai folyamattal állunk szemben: a LUCA biokémiájával.
Ma az élőlényeknek rendkívül hosszú időbe telik, mire létrehozzák saját, belső protonvízesésüket, amihez az elektrontranszportlánc bonyolult gépezetét használják. Mi van azonban akkor, ha ez csak egy későbbi találmány? Mi van akkor, ha az eredeti energiaforrás, amelynek segítségével az élet legyőzte a geokémiától a biokémiáig vezető úton magasodó termodinamikai hegyet, egy protongyakorisági gradiens volt? Ezzel eljutunk a lényegi kérdéshez. Létezett-e 3,5 milliárd évvel ezelőtt a Földön olyan hely, ahol a természetben létező protongradienst az első biológiai szerkezetek hasznosítani tudták, biztosítva ezzel az élet alapjainak spontán megjelenését egészen a DNS kialakulásáig, ami a természetes kiválasztódáson alapuló evolúció működése beindulásának előfeltétele volt? A válasz: igen. Sőt mi több, ilyen helyek ma is léteznek a Földön, amelyeket fel is tudunk keresni.
A hidrotermális kürtők az óceánfenék repedései, ahol a geotermikus energia által 300 °C fölötti hőmérsékletre felforrósított édesvíz találkozik a tenger hideg, sós vizével. Amikor 2009-ben A Naprendszer csodái című filmsorozatot forgattuk, nekem is alkalmam volt meglátogatni egy ilyen kürtőrendszert, 2000 méter mélységben, a Kaliforniai-félsziget (Baja California-félsziget) és Mexikó nyugati partjai között elterülő Kaliforniai-öböl (Cortez-tenger) mélyén. A biolumineszcencián és a Nap leszűrődő fényén kívül az Alvin mélytengeri tengeralattjáró reflektorai tették láthatóvá a sziklakürtők és a csőférgek világát. Ennek az ökoszisztémának az alapját azok az ügyes baktériumok képezik, amelyek a vulkáni eredetű hidrogén-szulfidból magukhoz tudják ragadni az elektronokat — ezek is redox reakciók —, miközben a kürtők környékén sárga kénszőnyeg marad vissza. Az ezekhez hasonló kürtőket fekete füstölőknek nevezik, mert sötét színű szemcséket lövellnek az óceánba.
2000 decemberében, amikor az Alvin a Bermudák és a Kanári-szigetek között, az Atlanti-óceán közepén húzódó, Atlantisz-masszívumnak nevezett hegyláncnál merült, a kutatók másfajta kürtőrendszert fedeztek fel. A kalcium-karbonát tornyok magassága a 60 métert is elérte, a képződményeket az ásványokban gazdag meleg víz és a kéreg mélyéről felbugyborékoló, erősen reakcióképes gázok alakították ki. A tornyok a tündérmesék hangulatát idézik, ezért is kapta a terület a Lost City (elveszett város) nevet.
A Lost City kürtőinek kémiája más, mint azoké, amelyeket a Kaliforniai-öbölben alkalmam volt meglátogatni. Ezekben a kürtőkben sokkal alacsonyabb a víz hőmérséklete, csak 90 °C körüli, mert ezek a kürtők nem vulkanikus eredetűek. A meleg víz és a tengerfenék kőzetei közötti kémiai reakciók a struktúrát metánnal és hidrogéngázzal telítik, ellentétben a fekete füstölők vulkáni eredetű hidrogén-szulfidjával. A körülmények meglehetősen hasonlóak ahhoz, amilyeneket a Urey-Miller-kísérletben létrehoztak, ahol az élet alapvető építőelemeit alkotó aminosavak jöttek létre. A kürtők kémiai eredete miatt jelentősen eltérő a pH-érték a porózus sziklakamrák belsejében; a fekete füstölőkben savas a környezet, a Lost City kürtőiben viszont lúgos. Ezek a kifejezések talán azonnal eszükbe juttatnak valamit: a savas a protonok többletét, a lúgos viszont a protonok hiányát jelenti.
Négymilliárd évvel ezelőtt bolygónk óceánjai savasak voltak, ami azt jelenti, hogy bőségesen tartalmaztak protonokat. Ez a savas tengervíz vehette körül a Lost Cityhez hasonló, lúgos kürtőrendszereket, létrehozva a természetes protongradienst a tornyok kürtőinek megszámlálhatatlan sokaságában. Magukat a kürtőket az ősi óceánokban nagy mennyiségben előforduló vas és nikkel vonhatta be, ami katalizátorként szolgálhatott a szerves kémiai reakciókhoz. A körülmények stabilak voltak, meleg volt, mindent áthatott a természetes protongradiens, és a hidrogéngáz szokatlan jelenléte biztosította a környezet erős reakcióképességét.
Elképzelhető, hogy ez lehetett a LUCA? Nem egy sejt, nem valami baktériumra vagy archeára hasonlító, apró lény, hanem egy kürtőrendszer meleg, sziklás ürege? Az érvelés meggyőző, legalábbis számomra. Az élet protongradiense, amelyre feltétlenül szükség van az ATP termeléséhez, forró nyomot ad a kezünkbe. További nyom az erősen reakcióképes hidrogén jelenléte a kürtőkben. Amint a következő fejezetben látni fogjuk, a fotoszintetizáló szervezetek mindent elkövetnek azért, hogy a szén-dioxidhoz protonokat — hidrogént — kapcsolva cukrokat állítsanak elő. Ez alapvető az élet szempontjából, de hidrogén jelenlétében spontán módon is megtörténik. Ha van a környezetben hidrogén, akkor nincs szükség a fotoszintézis mechanizmusára, mint ahogy az elektrontranszportlánc sem kell, hogy protonokat préseljen keresztül a sejthártyán, ha az üregekben jelen van a természetes eredetű protongradiens. Minden jelen van, és minden a helyén van, a szerves molekulák reakcióképes elődeitől a katalizátorokon át a protongradiensig, amely az entrópiagradiens leküzdésének hajtóereje.
Ha ez az elmélet helyes, akkor az élet alapvető mechanizmusa egészen a DNS-ig, és azt is beleértve, az olyan kürtőrendszerek sziklaüregeiben alakult ki, mint amilyeneket a Lost Citynél találtak. Ennek a bizonyítékát mind a mai napig mi magunk is a szervezetünkben hordozzuk. A sejtjeinkben újrateremtjük azokat a feltételeket, amelyek a négymilliárd évvel ezelőtti, ősi óceánokat jellemezték. Előállítjuk a protonok vízesését, mert az élet mindig is ezt tette. Amikor a kürtők belsejében a kémiai folyamatok elég bonyolultakká fejlődtek, akkor megkezdődött a szaporodás, a gének átadása az újabb generációknak, vagyis a természetes kiválasztódás elkezdhette varázslatos működését. Az élet megtalálta a módját, ahogy elő tudja állítani saját protongradiensét a kürtőkben uralkodó, az egyensúlyitól távoli viszonyok közepette is. Ezzel megterhelte az egész folyamatot, ami azután úgy maradt. Így jöttünk létre mi mindannyian.
A földi élet keletkezésének most bemutatott elmélete természetesen kézenfekvő, ezért számos tekintélyes biológus is támogatja. Amint azonban mindvégig hangsúlyoztam, a tekintélyekre hivatkozó érvek semmit sem nyomnak a latban. Van-e valamilyen lehetőség arra, hogy ellenőrizni tudjuk az elméletet, miszerint az élet a mélytengeri kürtőkben keletkezett? Az egyik lehetőség az, ha laboratóriumunkban mesterséges kürtőt építünk, nagyon hasonlóan ahhoz, ahogy Urey és Miller megépítették a meleg, kis tócsa modelljét. A londoni University College kutatócsoportja Nick Lane vezetésével pontosan ezen fáradozik. Azt szeretnék megfigyelni, miként jelennek meg az összetett szerves kémiai folyamatok az ahhoz hasonló, egyensúlyitól távol eső környezetekben, amilyent a Lost City kürtőiben találtak.
Van azonban egy másik lehetőség is. Ha igaz az, hogy a megfelelő feltételek fennállása esetén az élet spontán megjelenése csaknem elkerülhetetlen szükségszerűség, és az, hogy a földi élet bölcsői a mélytengeri kürtőrendszerek lehettek, akkor bármely olyan égitesten számíthatunk az élet megjelenésére, ahol a mérsékelten savas óceánokban lúgos kürtőrendszerek találhatók. Hihetetlenül izgalmasan hangzik az a felfedezés, amely szerint talán nem is olyan távol sikerült rábukkannunk legalább egy ilyen égitestre.
A NASA Cassini űrszondája 2005 februárjában különös jelenséget figyelt meg a Szaturnusz egyik kis, jeges holdjánál, az Enceladusnál. A hold mindössze 500 km átmérőjű, és az 1980-as évek elején a Szaturnusz rendszerén átrepülő Voyager űrszonda nem készített részletes felvételeket a felszínéről. A Cassini nagyon pontosan megmérte a Szaturnusz mágneses terét, és az eredmények azt mutatták, mintha az Enceladust légkörszerű képződmény venné körül, ami a hold közelében eltorzítja a bolygó mágneses terét. A Cassinit úgy irányították, hogy közelebbről is szemügyre vehesse a holdat. A felfedezés a projektet vezető Linda Spilker szavaival „új irányt adott a bolygótudománynak”.
A színes melléklet 12. oldalán látható felvételt a Cassini 2015 októberében készítette, amikor közvetlenül az Enceladus felszíne fölött repült el. A látványos gázcsóvákat vízgőz alkotja, ami 1300 km/óra sebességgel lövell ki a felszínből. A felszín tigriskarmolásoknak nevezett melegebb pontjaiból indulnak ki. A kidobott anyag alkotja legnagyobbrészt a Szaturnusz legkülső gyűrűjét, az E-gyűrűt. Amikor a Cassini keresztül repült az E-gyűrűn, olyan szilícium nanoszemcsék jelenlétét mutatta ki, amelyeket a víz és a kőzetek 90 °C feletti hőmérsékleten történt kölcsönhatása hozhatott létre. Maguk a csóvák szerves anyagokban gazdagok, a szén-dioxidot is beleértve, a legújabb elemzések pedig megerősítették a lúgos kémhatásukat. Az Enceladus pályájára vonatkozó nagyon pontos mérések arra utalnak, hogy a hold déli sarka alatt mindegy 6 kilométer mély, felszín alatti óceán terülhet el. Az összes tényt figyelembe véve úgy tűnik, aktív hidrotermális kürtőrendszer működhet az Enceladuson, amelyek szerves anyagokban gazdag vizet lövellnek a magasba. E sorok írásakor hidrogén nyomait keresik a kilövellésekben. Ha megtalálják, az még erősebben alátámasztaná, hogy az Enceladuson minden feltétel megvan ahhoz, hogy spontán módon kialakuljon az élet.
Úgy tűnik, hogy ezen az aprócska holdon, a Naprendszer külső, fagyos peremvidékén, másfél milliárd kilométer távolságban olyan mélytengeri környezet lehet jelen, amelyik hasonló saját bolygónk négymilliárd évvel ezelőtti állapotához. Ha ez valóban így van, és ha az ilyen feltételek fennállása esetén csaknem szükségszerű az élet kialakulása, akkor vajon számíthatunk-e az élet nyomainak jelenlétére az Enceladusból kilövellő gázcsóvákban? Csak a kérdést kell feltennünk, kijelentést ugyanis nem tehetünk, mert még rengeteg a tisztázatlan körülmény. Menynyi ideje lehet aktív az Enceladus? Átmeneti jelenség lehet az óceán, amelyet jelenlegi pályájának sajátosságai idéztek elő, és a múltban esetleg egészen más lehetett a helyzet? Kifejezetten e kérdések megválaszolása céljából kellene űrszondát indítanunk a Szaturnuszhoz, és ha rajtam múlna, már holnap elkezdeném a szonda építését, mert az Enceladus jégcsóváinak köszönhetően információt szerezhetünk egy idegen világ felszíne alatti óceán kémiájáról vagy biokémiájáról. Ehhez még csak le sem kellene szállnunk a felszínére.
Úgy gondolom, ez óriási jelentőségű lenne. Talán soha nem fogjuk megtudni, hogyan kezdődött a Világegyetem története, annak megértéséhez azonban már közel járunk, hogy mi magunk hogyan kezdődtünk. Ez kétségtelenül korunk vagy bármely más kor egyik legfontosabb kérdése, amit a filozófia és a teológia területére tett ismételt kalandozásaink bizonyítanak. Ám az élet eredete nem metafizikai, hanem természettudományos kérdés. Amint Haldane „Az élet eredetéről” című dolgozatában megfogalmazta:
„Egyesek elegendőnek tartják a fenti elmélet cáfolatául, ha kijelentik, hogy az elmélet materialista, márpedig a materializmust filozófiai alapon elvethetjük. Az elmélet kétségtelenül összeegyeztethető a materializmussal, de éppúgy más filozófiai irányzatokkal is. A tények, végül is, egyszerűen csak tények maradnak.
A lényeges kérdés a következő: hogyan jött létre bolygónkon az első ilyen rendszer? Ez történelmi probléma, amelyre nagyon bizonytalan választ próbáltam adni azon észszerűtlennek semmiképpen sem nevezhető hipotézis alapján, mely szerint ezermillió évvel ezelőtt az anyag ugyanazon törvényeknek engedelmeskedett, mint ma.”
Balra: A Mount Ijen vulkán mélyén rejtőzik a világ legnagyobb savas krátere. Derűsen nyugodt és gyönyörű, ugyanakkor a Föld egyik legszélsőségesebb természeti környezete.
Lent: A Jack Hillsen felfedezett cirkonkristályok azt bizonyítják, hogy a Föld légköre 4,4 milliárd évvel ezelőtt nagyon hasonló volt a maihoz.
Jobbra: Kamal al-Din al-Fáriszí gyönyörű kézirata kifejti a szivárvány keletkezésének matematikai magyarázatát.
Lent: Az Enceladus jeges kiáramlásai a Cassini-űrszonda felvételén, amelyet akkor készített, amikor 2015 októberében utoljára repült el a hold mellett.
Balra: A fény törését bemutató prizma. A fehér fénysugár eléri a prizma egyik lapját, és színeire bontva éri el a másik oldalon. A fény egy része újra megtörik, és a színképet létrehozva lép ki a prizmából.
Lent: A koronakitörések és a napflerek a Nap brutális erejét mutatják. Egyetlen ilyen robbanásnak akkora az energiája, mint egymilliárd hidrogénbombának.
Balra: Az űrkorszaki Szuper-Kamiokande Neutrínódetektor Japánban, az Ikeno-hegy gyomrában épült. A felszín alatt 1000 méter mélységben a Napból és a légkörből érkező neutrínókat tanulmányozzák.
Lent: A Szíriusz B jelű fehér törpe csillag fényesen ragyog, de fokozatosan minden hőjét kisugározza, míg végül csak elsötétedő zsarátnok marad belőle, egy fekete törpe.
Jobbra: A fehér üveggolyó - a Föld az északi sarkvidék felől nézve a NASA Suomi-NPP műholdja felvételén.
Lent: Ilyennek látszik a Nemzetközi Űrállomás fedélzetéről az a vékony kék csík, amely bolygónkat elválasztja a világűr vákuumától.
Azóta csaknem egy évszázad telt el, így ma már sokkal többet tudunk erről a történelmi problémáról, mint Haldane. Pontosan ismerjük a földi élet keletkezésének idejét, és van egy erős jelöltünk a keletkezés helyére és körülményeire. Látjuk, hogyan fejlődhet a geológia biológiává, és értjük, hogyan válhattak a biológiai rendszerek az évmilliárdok alatt elég bonyolulttá ahhoz, hogy eltöprengjenek saját eredetükön. Tényleg igaz lehet, hogy ha adott egy óceán, néhány vulkáni kürtő és négymilliárd év, akkor a kémiai elemek eljuthatnak önmaguk megértéséig? Úgy érzem, már csak karnyújtásnyira vagyunk a választól.
TÉNYLEG IGAZ LEHET, HOGY HA ADOTT EGY ÓCEÁN, NÉHÁNY VULKÁNI KÜRTŐ ÉS NÉGYMILLIÁRD ÉV, AKKOR A KÉMIAI ELEMEK ELJUTHATNAK ÖNMAGUK MEGÉRTÉSÉIG?
Minthogy ennek a fejezetnek volt valamilyen misztikus kicsengése, azt hiszem, mélyről jövő nevetéssel kellene befejeznem, vagy talán Roald Dahl Meghökkentő mesék sorozata filmváltozatának zenéjével. Ehelyett inkább Arthur C. Clarke Isten kilencmilliárd neve című novellájával búcsúzom. A történetben egy tibeti kolostor szerzetesei szuperszámítógépet vásárolnak, hogy azzal összeállítsák Isten összes lehetséges nevének teljes listáját. A szerzetesek szerint ez az a cél, amelynek elérésére Isten megteremtette az emberi fajt. Minden részletében meg kell ismerniük Teremtőjüket. A mérnökök kényszeredett mosoly kíséretében eladják a szerzeteseknek a gépet, beüzemelik, és alkonyatkor elhagyják a kolostort, hogy lejussanak a hegyről. „Vajon végzett-e a számítógép? Körülbelül most van itt az ideje” - szólal meg egyikük, kollégája azonban nem felel, hanem az égre mered. „Odafenn szépen, sorban kialudtak a csillagok.” (Nagy Zoltán fordítása)
4
SZÍNEK
Készült egy felvétel, amelyen mindannyian rajta vagyunk; egy fénypont a sötétségben. Ez a Föld, ahogyan a Voyager-1 űrszonda 1990. február 14-én, hatmilliárd kilométer távolból látta. A rádióhullámok öt és fél óra alatt tették meg a hazavezető utat.
A Voyager űrszondákat 1977-ben indították a két gázóriás, a Jupiter és a Szaturnusz felé, figyelembe véve azt a lehetőséget, hogy egy 175 évenként előforduló kedvező együttállást kihasználva, a küldetés folytatható az Uránusz és a Neptunusz felé is. A Voyager—2 1989 nyarán érte el a Neptunuszt. Az űrszonda futó pillantást vetett a kék bolygóra és legnagyobb holdjára, a Tritonra, amelyik az egyik legkedvesebb képem. Két törékeny sarló a sötét, mínusz 240 Celsius-fokos hidegben. Hideg és csöndes világok, amelyet 4,5 milliárd évig senki sem látott, akkor viszont lekapta őket a Földről érkezett, autó nagyságú felderítőeszköz. Nem tudom, részünk lesz-e valaha még egyszer ebben a látványban.
A Voyager-1 más pályát követett, 1980. november 12-én közvetlenül a Szaturnusz óriásholdja, a Titán felhőtakarója fölött repült el. A szoros közelség kipenderítette az űrszondát a Naprendszer síkjából, és a csillagközi tér felé lendítette. Ezután a Voyager—1 egy évtizeden keresztül 17 km/s sebességgel távolodott a Naptól, mígnem Carl Sagannek eszébe jutott, hogy utoljára megfordíttatja az űrszonda kameráit, és búcsúzóul készíttet egy „családi fotót” a bolygórendszerünkről, mielőtt a szonda végleg a csillagok felé venné az útját. Az akkor 32 fokkal az ekliptika síkja fölött járó Voyager-1 hatvan képkockából álló mozaikot küldött haza. A képen a Neptunusz, az Uránusz, a Szaturnusz, a Jupiter, a Vénusz és a Föld mind rajta vannak, csak a Merkúr és a Mars nem látszik. A Föld keskeny sarló, kiterjedése csak egytized pixel, és merő véletlenségből éppen a kamera optikai rendszerében szóródó, aranyló napsugarak egyikében helyezkedik el.
Carl Sagan a képnek a Halványkék pötty címet adta, majd nagy hatású könyvet írt ugyanezzel a címmel, miáltal a felvételt a történelem egyik leghíresebb képévé tette.
„BOLYGÓNK MAGÁNYOS PÖTTY A MINDENT BEBURKOLÓ, HATALMAS, KOZMIKUS SÖTÉTSÉGBEN. AZ ISMERETLENSÉG HOMÁLYÁBAN ÉLVE, EBBEN A HATALMAS TÉRBEN A LEGCSEKÉLYEBB JELÉT SEM LÁTJUK ANNAK, HOGY VALAHONNAN ODAKINTRŐL SEGÍTSÉG ÉRKEZNE, AMELYIK MEGMENTENE MINKET SAJÁT MAGUNKTÓL.” Carl Sagan
A Föld az egyetlen világ, amelyik mai tudásunk szerint otthont ad az életnek. Nincs egyetlen hely sem, ahová fajunk a közeli jövőben elvándorolhatna. Meglátogatni lehet. Letelepedni még nem. Akár tetszik, akár nem, pillanatnyilag a Föld az egyetlen hely, ahol fennmaradhatunk.
Azt mondják, a csillagászat alázatra nevel, és fejleszti a jellemet. Talán semmi mással sem lehet jobban szemléltetni önhittségünk hiábavaló voltát, mint ezzel a parányi világunkról nagyon messziről készített képpel. Számomra ez a kép aláhúzza annak a jelentőségét, hogy nagyobb odaadással törődjünk egymással, megőrizzük, és szerető gyengédséggel ápoljuk ezt a halványkék pöttyöt, az egyetlen otthont, amelyet ismerünk.”
Carl Sagan
„Midőn elkezdjük megérteni, hogy maga a Föld is embereket szállító, a tér végtelenjében száguldó egyfajta űrhajó — akkor egyre képtelenebbnek tűnik, hogy nem szerveztük meg okosabban az emberiség nagy családjának az életét.”
Hubert H. Humphrey, az Egyesült Államok alelnöke, 1966. szeptember 26.
„Ha végre ott vagy a Hold közelében, és visszanézel a Földre, akkor szinte teljesen eltűnnek az országok közötti különbségek és viszályok, és kezd eljutni a tudatodig, hogy talán tényleg ez az egyetlen világunk, és hogy a pokolba nem vagyunk képesek értelmes emberekhez méltó módon együtt élni.”
Frank Borman, Apollo-8, Newsweek magazin, 1968. december 23.
„MICSODA SZÉPSÉG! LÁTTAM FELHŐKET ÉS A TÁVOLI, KEDVES FÖLDRE VETETT ÁRNYÉKUKAT... A VIZEK SÖTÉTEBB, ENYHÉN CSILLOGÓ FOLTOKNAK LÁTSZOTTAK... AMIKOR A HORIZONT FELÉ PILLANTOTTAM, LÁTTAM A HIRTELEN, ÉLES ÁTMENETET A FÖLD FÉNYBE BORULÓ, SZÍNES FELSZÍNE ÉS A KOROMFEKETE ÉGBOLT KÖZÖTT. GYÖNYÖRKÖDTETETT A FÖLD SZÍNEINEK VÁLTOZATOSSÁGA ÉS GAZDAGSÁGA. A FÖLDET HALVÁNY, KÉK FÉNYKOSZORÚ ÖVEZTE, AMELYIK FOKOZATOSAN ELSÖTÉTEDETT, SZÍNE TÜRKIZRŐL SÖTÉTKÉKRE, LILÁRA, VÉGÜL KOROMFEKETÉRE VÁLTOZOTT.” Jurij Gagarin
Ha valaki szereti túlbonyolítani a dolgokat - talán azért, mert a felgyülemlett csalódások durván romboló hatása napvilágra hozta cinizmusunk lerakodott rétegeit? -, akkor naivnak találhatja ezt a felfogást. Nekem is kijutott a romboló csalódásokból, mégis úgy gondolom, Sagan megfigyelései kétségbevonhatatlanok. Bolygónk elenyészően parányi a végtelenségben, következésképpen mi magunk is elenyészően kicsik vagyunk. Meg kell barátkoznunk kozmikus jelentéktelenségünk gondolatával, ami egyben azt is jelenti, hogy el kell vetnünk személyes és kollektív egónkat és az eddigi értékrendünket. Tovább már nem tételezhetjük fel az istenek színre lépését, és nem álmodozhatunk arról, hogy kitüntetett helyünk van a szívükben. A tudomány arra késztet, hogy bátran szembe nézzünk a végtelen univerzummal, amelynek hatalmas kiterjedése szertefoszlóan halk és szánalmas nyöszörgéssé silányítja megtévesztő érvelésünket. Az istenek tiszteletére emelt egyetlen emlékmű sem olyan pompás, mint bolygónk története; az élet eredete és evolúciója a ritkaságszámba menő Földön, és egy szárnyait bontogató civilizáció első lépései a sötétbe. Rokonságban állunk Darwin minden „végtelen sok és csodálatos formájával", mert mindannyian az élet megszakítás nélkül négymilliárd évre visszanyúló fájának hajtásai vagyunk.
Több közös tulajdonságunk van a baktériumokkal, mint bármelyik, valahol a csillagok között előforduló élőlénnyel, de ha egyáltalán léteznek ilyenek, feltétlenül érdemesek a figyelmünkre. Építhetünk katedrálisokat a baktériumok dicséretére; mert magunk vagyunk, és a meghatározó értelmünkkel felelősek vagyunk bolygónkért, a maga csodálatos és törékeny teljességében.
Ha az előző bekezdés reménytelenül lehangolónak tűnik, akkor tegyék fel maguknak a kérdést: ki más viselhetne felelősséget bolygónkért? Sagannek igaza van, a csillagászat alázatra nevel, és ez az alázat az első lépés egy jobb és biztonságosabb jövő létrehozása felé. A Voyager utolsó pillantása ajándék az alkotóinak, egyben alázat, amelynek folyománya a felelősség. A természet iránt érzett alázat, csodálat és kíváncsiság már a tudomány birodalma. El kell fogadnunk, hogy a tudomány arra késztetett bennünket, hogy felnőtté váljunk, ami nagyszerű és elégedettséget adó helyzet az emberi faj számára, ahol megtalálhatja önmagát.
A bolygók a Voyager mozaikján csak apró pöttyök, mégis vannak egyéni jellemzőik. Igaz, hogy alakjuk és méretük messze elmarad a Voyager 1970-es években készült, elektroncsöves tévékamerájának felbontóképességétől, mégis, az a néhány foton, amelyik átverekedte magát a kamera lencséjén, információt hordoz. Ha valahol messze távol, jóval túl a két Voyageren, léteznének élőlények, amelyek elég fejlettek és felvilágosultak a tudomány műveléséhez, akkor mit tudnának megállapítani a mi halványkék pöttyünkről? Csak bolygónk fénye jutna el hozzájuk, de a fény csillagközi távolságokra is elviszi az információt, legalábbis, ha tudjuk, hogyan kell megfejteni az azt tartalmazó üzenetet. A világ színei olyan kódolt adatbázist alkotnak, amelyik a világ összetevőinek és kémiájának ujjlenyomatát hordozza. Ha megértjük a fény fizikai természetét, és azt a mechanizmust, ahogyan kibocsátódik és elnyelődik, akkor ki tudjuk nyerni a benne hordozott információt.
Ebben a fejezetben megismerjük, mit tudunk a fényről és kölcsönhatásáról az anyaggal, és azt, hogyan teszik meg a csillagászok az első lépéseket a Naprendszeren kívüli élet keresése felé a távoli csillagok körül keringő, halvány pöttyök által visszavert és elnyelt fény tanulmányozásával. Eközben egy párhuzamos utat is bejárunk; és megtudjuk, milyen felfedezéseket eredményezett több mint ezer év alatt a fény puszta kíváncsiságból történt tanulmányozása, és hogyan hasznosult ez az egykor csak lebilincselő szellemi kalandnak tekinthető terület. A fény eredetére, természetére és az anyaggal való kölcsönhatására vonatkozó legegyszerűbb kérdések még ma is tudásunk határait feszegetik, ezért néha egészen különös válaszokat kapunk, ahogy annak lennie kell. Ha együtt megtanuljuk, hogy ne az ismeretlennel szemben érzett félelemmel, hanem izgalommal, élvezettel és kíváncsisággal pillantsunk az éjszakai égbolt fényeire, akkor a babonáktól mentes jövő mellett tesszük le a voksunkat, és hajtóerőnk a természet egyre alaposabb megismerésének vágya lesz. Megszabadulunk az abszolút bizonyosság bilincsétől, nem is beszélve a bolygónk és saját magunk iránt érzett abszolút felelősség felismeréséről.
Honnan erednek a világ színei? A Földnek nincs saját fénye, legalábbis akkor, ha nem vesszük figyelembe civilizációnk villanyfényeit. A halványkék pötty tükör, olyan porcsomó, amelyik felfogja és visszaveri a Nap sugarait. A Nap fénye eredendően nem kék; hanem a szivárvány összes színét tartalmazza. Ez persze köztudott, az elsők között van, amit az iskolában megtanulunk. Ám a mára közkinccsé vált tudást nem mindig egyszerű megszerezni. A fény megértését célzó, elsőként megfogalmazott tudományos igényű kérdések összefonódtak a szivárvány eredetével, ami számomra nem meglepő.
„A MOCCANATLAN SZIVÁRVÁNY A GYORS SODRÁSÚ, TOVASIETŐ ZÁPOR PÁRÁJÁBAN. MICSODA TALÁLKOZÁSA A KÉPEKNEK ÉS AZ ÉRZÉSEKNEK, KÜLÖNÖS ÁLLANDÓSÁG AZ ÉGIHÁBORÚ KÖZEPETTE - CSEND, A VIHAR LÁNYA.” Samuel Taylor Coleridge
A szivárvány a természet legizgalmasabb szabályos alakú képződménye, a mindennapokat kísérő, diadalmas ív. A Föld bármely táján feltűnhet, hajnaltól alkonyatig bármikor, mégis, minden megjelenésnek van néhány közös jellemzője: a színek az időjárási helyzettől függetlenül mindig ugyanabban a sorrendben jelennek meg, az ég felőli oldalán vörös, a földhöz közelebbi oldalán kék; a megfigyelő mindig az ív középpontjában van, tehát személyes, mégis egyetemes jelenséget látunk, és az ívek pedig mindig ugyanakkora szöget, 42 fokot zárnak be a Nap sugaraival és a megfigyelő látó irányával. A mennyekbe vezető híd, szövetség az istenekkel - az ilyen és ezekhez hasonló nevekkel illetett pompás jelkép isteni magyarázatot követel. Ha most utoljára megengedjük magunknak, hogy isteniként definiáljuk a természet legalapvetőbb törvényeit, akkor a szivárvány az univerzum működését irányító, legmélyebb struktúrák egyik legragyogóbb megnyilvánulása, a fény viselkedésének látványos szemléltetése. Ezért próbálták a legkiválóbb természettudósok közül oly sokan megérteni a mibenlétét.
Ibn al-Haitam (nevének latinosított alakja Alhazen) már a XI. században fizikai magyarázatot keresett a szivárványra. Helyesen tételezte fel, hogy a jelenséget az okozza, hogy a Nap fénye, mielőtt a szemünkbe jut, kölcsönhatásba lép a levegőben lebegő vízcseppekkel - abban azonban tévedett, hogy a szivárványt a hatalmas homorú tükörként viselkedő felhőkről történő fényvisszaverődés okozza. Nem magától értetődő az az ötlet, mely szerint a szivárványt a visszavert napfény hozza létre. A XI. században még széles körben elterjedt volt az az Eukleidész és Ptolemaiosz történelmi tekintélyére visszavezethető elképzelés, amely a látást aktív folyamatnak tekintette abban az értelemben, hogy a fény a szemben keletkezik, és ez teszi lehetővé a megfigyelőnek — a mai radarokhoz hasonlóan - az objektumok letapogatását. Ibn al-Haitam azonban nem sokat törődött az ókoriak tekintélyével, az elvont gondolkodás és az ösztönös megérzések helyett pedig inkább a kísérletekre és a megfigyelésekre fektette a hangsúlyt. Ez a mai szemmel határozottan modernnek tűnő felfogás az egyik oka annak, amiért sok tudománytörténész a korai tudósok egyik legnagyobbikának tekinti. Amint a történész David C. Lindberg megfogalmazza, ő volt „az optika történetében az ókortól a XVII. századig tartó időszak vitathatatlanul legjelentősebb egyénisége.”
Alhazen nem olyan ismert, mint Newton, Galilei, Kepler vagy Einstein, mégis úgy gondolom, a mostaninál sokkal jelentősebb helyet érdemel a tudomány történetében, mert az írásaiban megnyilvánuló öntudatossága és alázata - amelyeket Sagan halványkék pöttyel kapcsolatos gondolatai is visszhangoznak — a modern természettudomány művelésének nélkülözhetetlen összetevője. Minden jó kutató megérti, hogy egyetlen vélemény sem megcáfolhatatlan; a tudományban nem léteznek abszolút igazságok; a tekintély mit sem ér, ha ellentmond a természetnek; nullius in verba (nem fogadunk el semmiféle tekintélyt, a Royal Society jelmondata — a fordító megjegyzése). Alhazen ezer évvel ezelőtt Bászrában ezeket a sorokat írta le:
„Ezért, aki az igazságot keresi, az az ókori szerzők írásait tanulmányozva nem veti azokba ösztönös bizalmát, hanem kételkedik azok igazságában, megkérdőjelez mindent, amit azokból elsajátít. Az érveknek és a kísérleteknek hisz, nem pedig egy olyan emberi lény állításainak, akit minden fajta tökéletlenség és hiányosság terhel.
Ezért a tudósok írásait tanulmányozó ember kötelessége az, ha célja az igazság megismerése, hogy magát mindannak az ellenségévé tegye, amit elolvas, és annak lényeges és lényegtelen részeit egyaránt minden oldalról megtámadja. Kételkednie kell önmagában is, amikor kritikus vizsgálat tárgyává teszi az írást, hogy így próbálja elkerülni az előítéletek és az elnézés csapdáját.”
Alhazen fennmaradt legnagyobb munkája (írásainak nagy része elveszett) az Optika című könyve, amelyik a szivárvány keletkezését és a fény természetét tisztázni kívánó számos későbbi vizsgálathoz adott ihletet. Nincs ebben semmiféle irónia. A könyvek nem az „igazság” forrásai, hanem ösztönzést jelentenek; a tudás és tapasztalás pillanatképei, amelyeket kritikus szemmel kell olvasni. Az írott szó ereje azon mérhető le, hogy Alhazen könyve térben és időben egymástól távoli kultúrák tudósait sarkallta műve tökéletesítésére, mert kérlelte őket, hogy ezt tegyék, és találjanak racionális és kísérleti úton ellenőrizhető magyarázatot a szivárványra.
ÉNEKELJÜK SZÚRJA DICSŐSÉGÉT, AKINEK SZÉPSÉGE EGY VIRÁGÉVAL VETEKSZIK. LEHAJOLOK HOZZÁ, A SZENT KASYAPA SUGÁRZÓ FIÁHOZ, A SÖTÉTSÉG ELLENSÉGÉHEZ ÉS MINDEN BŰN ELPUSZTÍTÓJÁHOZ. Imádság a Chhath Puja Napisten-fesztiválon
Kamal al-Din al-Fáriszí egyike volt az úttörő tudósok hosszú sorában, aki a késő középkorban megélénkítette Perzsia szellemi életét. Al-Fáriszí 1265-ben született, és tanulmányait a csillagász Kutb al-Din al-Sirází irányításával az iráni Maraga közelében működő Maragai (Maraghehi) Obszervatóriumban végezte. Al-Fáriszí érdeklődését a fénytörés keltette fel - vagyis az, amikor a levegőből a vízbe vagy üvegbe belépő fénysugarak haladási iránya megváltozik. Al-Sirází azt javasolta al-Fáriszínek, hogy olvassa el Alhazen Optikáját. Tanítványa annyira elmerült a munkában, hogy végül al-Sirází arra biztatta őt, írjon aktualizált összefoglalót a könyv tartalmáról. Munkája eredményeképpen megszületett Alhazen könyvének teljes egészében átdolgozott változata, amelyben a szerző már egy lépéssel közelebb jutott a szivárvány jelenségének helyes magyarázatához. Al-Fáriszí felvetette, hogy a szivárvány akkor keletkezik, amikor a fény a levegőből belép az ott lebegő vízcseppekbe, ahol kétszer megtörik - egyszer belépéskor, egyszer pedig kilépéskor -, közben pedig legalább egyszer visszaverődik a vízcsepp hátsó felületéről. Engedve Alhazen ékesszóló kérlelésének, számos kísérletet végzett, hogy ellenőrizze elméleti elgondolását; ami nagyszerű, korai példa arra, amikor valaki laboratóriumi körülmények közt, ellenőrzött kísérletekkel próbálja felderíteni a természet törvényeit. Al-Fáriszí elkészítette az esőcseppekkel telített légkör modelljét, amihez nagy, gömb alakú, vízzel töltött üvegedényeket használt. Az üvegeket mint esőcseppeket a camera obscura korabeli megfelelőjében helyezte el, vagyis egy sötét szobában, amelybe irányított módon, keskeny nyalábban tudta beengedni a napfényt. A keletkező képet a szoba sík falára vetítette. Sikerült megfigyelnie a szivárványt, ami nagy vonalakban igazolta az elméletét.
Nagyjából ugyanabban az időben, de térben meglehetősen távol, Dietrich von Freiberg (Theodoricus de Vriberch) német szerzetes és természettudós ugyanerre a következtetésre jutott, amiről De iride et radialibus impressionibus (A szivárványról és a fénysugárzás keltette hatásokról) című munkájában számolt be. Akárcsak al-Fáriszí, von Freiberg is vízzel töltött üveggömbökkel modellezte az esőcseppeket, amelyeken megfigyelte a napfény és a víz kölcsönhatását. Bár több ezer kilométerre dolgoztak egymástól, és semmiféle kapcsolat nem volt közöttük, mégsem véletlen, hogy ezek a korai természettudósok csaknem egy időben ugyanarra a következtetésre jutottak. Mindkettőjük számára Alhazen Optikája adta az ösztönzést, és jelentette a kiindulópontot. A könyvet a XII. században fordították le arabról latinra, aminek köszönhetően Európában és Perzsiában egyaránt széles körben ismertté vált - ami korai példa arra a fontos alapelvre, amelynek megvalósulásáért ma is küzdünk: a tudományos ismereteknek szabadon hozzáférhetőeknek kell lenniük a bárki számára elérhető publikációkban. A gondolatokat nem szabadna szerzői jogokkal védeni.
Jelentős előrelépések történtek tehát, de egyik említett tudós sem tudott helyes magyarázatot adni sem a szivárvány színeinek eredetére, sem pedig legmeghökkentőbb geometriai tulajdonságára, az ívre jellemző állandó nyílásszögre.
René Descartes volt az első, aki 1637-ben L’arc en ciel (A szivárványról) című tanulmányában magyarázatot adott a szivárvány geometriájára. Talán nem meglepő, hogy a descartes-i geometria (koordinátageometria) atyja a szivárványt is geometriai úton magyarázta. Tanulmányában megtalálható az a jól ismert, gyönyörű diagram, amelyen a szivárvány létrejöttével kapcsolatos összes vonalat és szöget feltüntette.
Az ív létrejöttét meg tudta magyarázni Descartes, a színek keletkezését viszont nem, mert nem tudta, hogy a Nap fehér fénye a szivárvány összes színének a keveréke. Ezt Isaac Newton csak negyven évvel később fedezte fel. Most azonban az a célom, hogy leírjam a szivárvány fizikáját, ezért egyszerűbbnek tűnik, ha a történet kronológiai kibontása helyett egyszerre magyarázom el a jelenség geometriáját és a színeket.
Az ábrán látható felső rajzon a Napból érkező fénysugár belép egy vízcseppbe, visszaverődik a csepp hátsó felületéről. Azt a szöget, amellyel a kilépő sugár a belépőhöz viszonyítva eltérül, D(Θ)-val jelöljük. Descartes diagramján ez az AB és ED egyenesek közötti szög. Ha jártasak a matematikában, vessenek egy pillantást az ábraaláírásban olvasható gondolatmenetre. Ha nem annyira lelkesednek ezért, akkor nézzék meg a D(Θ) szög grafikus ábrázolását a középső rajzon, mert ez a jelenség kulcsa. A diagram azt mutatja meg, milyen szöggel térül el a vízcsepp belsejében visszaverődő fénysugár attól függően, milyen szögben éri a Nap fénye a csepp felületét.
A legfontosabb az, hogy a kilépő fénysugár D(Θ) eltérülési szögének körülbelül 138 foknál minimuma van. Erre azonnal felfigyelünk, hiszen 180° - 138° = 42°, tehát pontosan az a szög, amelyet Descartes a geometriai módszerével, illetve megfigyelései eredményeképpen kapott, és amelyet a diagramján DEM-mel jelölt.
A Napból érkező fénysugár Θ beesési szöggel lép be az esőcseppbe. A Snellius-Descartes-törvénynek megfelelően fénytörést szenved, így kilépési szöge φ, ahol sin Θ/sin φ = nf,víz / nf,levegő, továbbá nf,víz és nf,levegő a víz, illetve a levegő törésmutatója. A törésmutató a fény színétől függ, erre utal az f index. Ha alaposan megnézik a rajzot, könnyen meggyőződhetnek arról, hogy D(Θ) = (Θ—φ) + (180° - 2φ) + (Θ-φ). Ha szeretnénk D(Θ)-t Θ függvényében ábrázolni, akkor a Snellius-Descartes-törvény alapján helyettesítsük be φ értékét. Az nf,levegő törésmutató értéke bármely színre jó közelítéssel 1, míg nf,víz = 1,33 vörös fényre és 1,34 ibolyaszínűre. Az így kapott D(Θ) kilépési szöget a Θ belépési szög függvényében a középső ábra mutatja.
Az esőcseppbe Θ belépési szöggel belépő fénysugár kilépési szöge.
A Napból érkező párhuzamos fénysugarak sokasága ér el egy gömb alakú esőcseppet, amelynek görbült felszíne miatt a különböző pontokban eltérő a belépési szög. A cseppből kilépő sugarak az úgynevezett „kausztika”, vagyis a szivárványt alkotó sugár körül sokasodnak, amelyet az ábrán sötétszürke vonal jelez, és amelynek kilépési szöge a belépő sugár irányához képest körülbelül 138°. A szivárványt alkotó sugár pontos szöge a beeső fény színétől függ, ezért ez az, ami a szivárvány színeinek létrejöttét előidézi.
Ha azt is szeretnénk megérteni, miért felel meg ez a minimális szög az égbolton egy fényes ívnek, akkor nézzük meg az alsó rajzot. Ez megmutatja, mi történik, amikor a csepp görbült felületének nagy részét eléri a sugárnyaláb. Első ránézésre látható, hogy a beeső sugarak legtöbbje a „kitüntetett”, a középső rajz görbéjén a minimumnak megfelelő szögben hagyja el a cseppet, bár a belépő sugarak különböző helyeken és különböző belépési szögekben érték el a csepp felszínét. Ez azt jelenti, hogy a kilépő sugarak legszívesebben a 42 fokos minimumszög környékére fókuszálódnak, ezért fényesebb a szivárvány íve minden másnál az égbolton. A fókuszáló hatást tehát a gömb alakú vízcseppek geometriája idézi elő. Matematikailag valamivel szabatosabban úgy fogalmazhatunk, hogy a 60 fokos belépési szög környezetében belépő sugarak mind hasonló szögben lépnek ki, mert a D(Θ)-t ábrázoló görbe a minimuma környékén csak csekély mértékben változik. Azt a kitüntetett és a rajzon vastagabbra húzott kilépő sugarat, amelyik pontosan a görbe minimumának, tehát a minimális eltérülésnek felel meg, a fizikában kausztikus sugárnak nevezik.
A fenti gondolatmenet megmagyarázza, miért látunk fényes ívet, nem ad viszont magyarázatot sem a szög értékére - 138 fok -, sem pedig a színek szétválására. A szög nagysága attól függ, milyen mértékben törik meg a fénysugár, amikor belép a vízcseppbe, illetve kilép onnan; a Θ és φ szögek közötti kapcsolat a felső ábra alapján értelmezhető. Ez a kapcsolat a levegő és a víz tulajdonságaitól függ, a két szög közötti matematikai kapcsolatot az úgynevezett Snellius-Descartes-törvény adja meg. Magát a törvényt különböző pontossággal bár, de az ókor óta ismerték, és nem egyértelműen megfogalmazva, de már Alhazen Optikájában is majdnem teljes formájában megjelenik. A története szövevényes, de maga a törvény egyszerű. Máris kimondjuk, de aki nem jártas a trigonometriában, az nyugodtan ugorja át, és folytassa az olvasást a következő mondattal. A törvény tehát a következő matematikai formát ölti: sin Θ / sin φ = nf,víz / nf,levegő , ahol nf,víz és nf,levegő a víz, illetve a levegő törésmutatója. A törésmutató az a szám, amelyik megmutatja, hogyan terjed a fény egy bizonyos közegben. Pontosabban fogalmazva, megadja a fény vákuumban, illetve az adott közegben mért terjedési sebességének arányát. A víz törésmutatója körülbelül 1,3, ami azt jelenti, hogy a fény vákuumban kb. 1,3-szer olyan gyorsan terjed, mint vízben. A levegő törésmutatója nagyon közel van az 1-hez. Ez az a szám, amelyik meghatározza a szivárvány ívét, a számítást bárki maga is elvégezheti. Röviden, a szivárvány ívének szöge azért 42 fokos, mert az esőcseppek az 1,3 törésmutatójú vízből állnak.
A Szaturnusz egyik holdján, a Titánon a sűrű légkörben folyékony metáncseppecskék hópihékként lebegnek finoman alá. A távoli világban a Nap fénye igencsak gyenge, a légkörben meg amúgy is sűrű a pára, ezért a szivárvány ritka jelenség, de ha a körülmények megfelelőek, akkor elvben azért feltűnhet. A cseppfolyós metán törésmutatója 1,29, amiből az következik, hogy a Titán szivárványainak íve nagyobb a földiekénél, 49 fokos. A törésmutató egészen csekély változása jelentős eltérést eredményezett a szivárvány nagyságában - ez okozza a szivárvány színeit. A törésmutató ugyanis még egyazon közegben is kissé eltérő a különböző színű fénysugarak esetében. Vízben a vörös fény törésmutatója például 1,33 körül van, ezzel szemben a kék fény törésmutatója körülbelül 1,34. A Föld légkörében lebegő vízcseppekben megtörő fénysugárnak a vörös összetevője valamivel nagyobb átmérőjű szivárványt hoz létre, mint a kék összetevő. Ezért piros a szivárvány külső íve, míg a belső kék, a kettő közt pedig az összes többi szín megjelenik. A vízcseppecskék tehát azért bontják fel a Nap fehér fényét az azt alkotó egyedi színekre, mert a vörös és a kék fény terjedési sebessége a vízben egymástól kissé eltérő.
A szivárvány kialakulásának ezzel a magyarázatával már elérkeztünk arra a szintre, ahová Isaac Newton az 1680-as évek közepén eljutott. Ez azonban még mindig nem a történet vége, bár már attól sem járunk messze. Van a szivárványoknak néhány olyan finomabb részlete, amelyek bonyolultabb magyarázatot igényelnek. Kettős szivárvány azért alakulhat ki, mert előfordulhat, hogy a vízcsepp belsejében nem egy, hanem két visszaverődés történik. Ezenkívül a szivárvány fő íve alatt és fölött halvány ívek jelenhetnek meg, az úgynevezett létszámon felüli szivárványok. Ezek interferenciahatás eredményeképpen alakulnak ki, keletkezésükre először Thomas Young 1804-ben adott magyarázatot, aki a fényt hullámként írta le. A kor királyi csillagásza, George Biddell Airy 1831-ben dolgozta ki a szivárvány teljes elméletét, amelynek hatására a kor két jelentős matematikusa, Augustus De Morgan és George Gabriel Stokes matematikai szempontból kezdték vizsgálni az úgynevezett Airy-integrált. Ez viszont újabb kérdéseket vet fel. Ha a fényt hullámként kell kezelni, akkor mi az, ami hullámzik? Ezt 1831-ben még senki sem tudta; a válaszra csak az 1860-as évek elején jött rá James Clerk Maxwell skót elméleti fizikus — felfedezésével később még részletesen foglalkozunk. Amint a 2. fejezetben láttuk, Albert Einstein volt az első, aki készpénznek vette Maxwell fényelméletét, és ez vezette el őt odáig, hogy sutba vágta a newtoni fizikát, és megalkotta a tér és az idő új elméletét. Mi viszont továbbmehetünk, és a lehetséges utak közül legalább néhányat végigjárhatunk.
Álljunk azonban meg egy pillanatra, és vegyük észre, milyen szép példa a szivárvány tanulmányozása arra, ami könyvünk legfontosabb témája: a hétköznapi dolgok eredetére vonatkozó egyszerű kérdések gyakran — gyakrabban, mint ahányszor nem — bevezetnek a fizika mélyének legsűrűbb dzsungelébe. Ezen nem kellene meglepődnünk, mégis azt tesszük, mert emberi gyarlóságunk miatt szüntelenül meglepődünk azon, milyen mély összefüggés áll fenn a természet legkülönbözőbb jelenségei között. Bátran kijelenthetem, hogy éppen ez adja a legtöbb örömöt a fizikában. Azért sem kellene meglepődnünk, mert már megállapítottuk, vagy legalábbis néhány példával alátámasztva kijelentettük, hogy az a komplex világ, amelyet érzékelünk, csupán árnyéka az egyszerűbb formáknak: a természet legalapvetőbb törvényeinek.
Márpedig ha ez így van, akkor ebből következően sok változatra ugyanannak a magyarázatnak kell igaznak lennie, és az egyik vizsgálata elkerülhetetlenül elvezet egy másik alátámasztásához. Ezért félrevezető és a tudomány művelése szempontjából kifejezetten veszélyes az a divatos irányzat, amikor a kutatást olyan területekre próbálják irányítani, amelyeket a priori gazdasági és társadalmi szempontból hasznosaknak vélnek. Ezért veszedelmesek azoknak a kormányzati tanácsadóknak a céljai, akik ilyen együgyű, bár (legyünk jóindulatúak) jó szándékú stratégiákról álmodoznak. A képesség értékes dolgok találására ott, ahol kevéssé valószínű, mindig abszolút lényeges volt, és a felfedezések szempontjából mindig az is lesz, mert a természeti világ jelenségei oly mértékben összefonódnak egymással, és a világ - legalábbis mai tudásunk szerint - nagyon kevés, alapvető törvénynek engedelmeskedve működik. Nagyon sok módon fedezhetünk fel mély és végső soron hasznos dolgokat. Dőreség lenne azt képzelni, hogy meg tudjuk jósolni, a természeti világ mely apró szegletének vizsgálata hoz nem várt gyümölcsöt. A természet túlságosan bonyolult. A szivárvány vizsgálata hóbortos ötletnek látszik, mégis ez indított el egy sor kezdeti kutatást az optikában és a fény természetére vonatkozóan, végül pedig elvezetett a tér és az idő természetének megértéséhez.
Mindezek után folytassuk azt a kissé kusza útvonalat, amelyiket választottuk. A szivárvány tanulmányozása csak bevezetésül szolgált, és felvetett egy sor kérdést a fénnyel kapcsolatban, amelyekre ezután próbálhatjuk megkeresni a választ. Jó kiindulópont lehet, ha arra vagyunk kíváncsiak, honnan ered az a fény, amelyik a vízcseppbe jutva létrehozza a szivárványt. Amint láttuk, Alhazen korában még heves vita folyt arról, hogy a látás aktív vagy passzív folyamat. A szivárvány vizsgálata azonban hozzájárult annak végérvényes megállapításához, hogy a jelenséget létrehozó fény a Napból ered.